وبلاگ

طیف فرکانسی رادیویی همواره به عنوان یک منبع حیاتی باارزش برای مخابرات رادیویی مورد توجه بوده داشته و استفاده بهینه از آن به یکی از موضوعات اساسی در مخابرات رادیویی بدل گشته است. در هر سطح از تکنولوژی تنها بخش محدودی از این طیف فرکانس قابل استفاده است. اگرچه پیشرفت های تکنولوژی بازه قابل استفاده از این طیف را هر روز گسترش می دهد اما خواص انتشاری امواج رادیویی موجب شده است تا برای هر کاربرد برخی از باندهای فرکانس مناسب تر و بنابراین ارزشمندتر از سایر باندها باشند. با رشد روزافزون سیستم های مخابراتی و فراگیر شدن سرویس های جدید نظیر مخابرات انفرادی و مخابرات سیار سلولی، تقاضا برای طیف فرکانس رادیویی به شدت افزایش یافته است. با این وجود مدیریت استفاده بهینه از طیف فرکانس به علت حضور تکنولوژی های مختلف و سرویس های متفاوت، بسیار دشوار است. در گذشته این عمل با اختصاص دادن طیف فرکانس به هر سرویس انجام می گرفت، مثلا باندهای مختلف

 فرکانسی برای کاربردهای سخن پراکنی، رادیو آماتوری، مخابرات ماهواره ای، مخابرات سیار و غیره اختصاص داده می شد که هنوز این روش ادامه دارد. اما روش دیگری برای حل این مشکل مطرح شده است که متکی به ویژگی های دسترسی چندگانه تقسیم کد می باشد که باند فرکانسی را بدون تداخل قابل ملاحظه ای به اشتراک می گذارد. این روش تکنیک طیف گسترده نامیده می شود.

1-1- تاریخچه
ایده های اولیه تکنیک طیف گسترده به سال 1935 میلادی باز می گردد که دو مهندس آلمانی از شرکت Telefunken به نام های پل کوتووسکی و کورت دانل برای ثبت روشی اقدام کردند که سیگنال صحبت را از طریق ادغام با یک سیگنال نویز مانند که توسط یک مولد چرخشی ایجاد می شد، پنهان می ساخت. گیرنده نیز مولد چرخشی دیگری بود که با فرستنده هماهنگ بوده و از آن برای بازسازی سیگنال صحبت استفاده می شد. در خلال جنگ جهانی دوم، استفاده از امواج رادیویی برای هدایت موشک ها و اژدرها فزونی یافت ولی مشکل اصلی از آنجا ناشی می شد که این امواج به سادگی توسط دشمن قابل شناسایی بود و با ایجاد تداخل عمدی کارایی خود را از دست می داد. این مسئله موجب شد که در ماه اوت 1942 هدی لامار و جرج آنتیل روشی را به ثبت رساندند که آن را «سیستم مخابرات سری» نامیدند. در این سیستم، فرکانس حامل بین فرستنده و گیرنده بر طبق یک الگوی تصادفی ولی از پیش تعیین شده تغییر می کرد و بنابراین امکان شناسایی و ایجاد تداخل را از دشمن می گرفت. در هرحال همزمانی بین فرستنده و گیرنده مشکلات بسیاری ایجاد می کرد که موجب شد تا از این روش در طول جنگ استفاده نگردد.
پس از آن، در دهه پنجاه همراه با پیشرفت های الکترونیک، گروه سیستم های الکترونیکی سیلوانیا براساس ایده سیستم مخابرات سری آزمایش هایی را به انجام رساند که از نتایج آن در بحران موشکی کوبا در سال 1962 استفاده گردید. تنها در اوایل دهه 60 بود که نام «طیف گسترده» وارد ادبیات سیستم های مخابراتی گردید ولی همچنان آزمایش ها و فعالیت های تحقیقاتی در این زمینه محرمانه و برای کاربردهای نظامی بود و تنها چند مرکز تحقیقاتی و دانشگاهی در آن زمینه فعالیت داشتند که مهمترین تحقیقات در دانشگاه MIT و آزمایشگاه لینکلن وابسته به آن تحت عنوان پروژه (Nomac) به انجام رسید.
در اواسط دهه 80، ارتش آمریکا تکنولوژی طیف گسترده را غیرنظامی اعلام کرد و این موجب شد تا استفاده از طیف گسترده در کاربردهای تجاری و مدنی نیز جای خود را باز کند. در مدتی کمتر از 20 سال رشد این تکنولوژی چنان گسترده شد که هم اکنون استفاده از طیف گسترده برای نسل سوم مخابرات سیار سلولی مورد توافق همگان قرار گرفته است.

:
در دنیای امروز با گسترش روزافزون دنیای دیجیتال باید به دنبال پلی برای ایجاد ارتباط بین دنیای آنالوگ و دیجیتال باشیم. این پل از طریق مبدل های آنالوگ به دیجیتال ساخته می شود. تکنیک های بسیاری برای طراحی مبدل های آنالوگ به دیجیتال وجود دارند که هرکدام از این تکنیک ها دارای امتیازات و محدودیت هایی هستند. در اینجا به معرفی برخی از این تکنیک ها در طراحی مدارات مبدل آنالوگ به دیجیتال پرداخته شده است.

هرکدام از این تکنیک ها ملزومات مداری مربوط به خود را دارد. در بعضی از این تکنیک ها دقت بیشتر مورد نظر بوده و در بعضی دیگر سرعت و در بعضی مواقع هزینه و قیمت بیشترین نقش را دارد. ذکر این نکته ضروری است که قبل از طراحی یک مبدل آنالوگ به دیجیتال باید دانشی کلی در باب انواع تکنیک های موجود داشت، تا با توجه به مزایا و محدودیت های این تکنیک ها و همین طور خصوصیات مبدل

 آنالوگ به دیجیتال، روشی برگزیده شود که بالاترین بازدهی را داشته باشد. همچنین برای رسیدن به بالاترین کارایی می توان از ترکیب این روش ها نیز استفاده کرد.

در تقسیم بندی انواع مبدل های آنالوگ به دیجیتال، آنها را به دو قسم یک مرحله ای و دو مرحله ای تقسیم می کند. این مجموعه بر مبنای این تقسیم بندی نبوده و انواع ساختارهای مختلف به طور مستقل مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.
فصل اول: انواع ساختارهای با اهمیت مبدل های آنالوگ به دیجیتال
1-1) ساختار موازی Parallel encoder
در این تکنیک سیگنال ولتاژ ورودی به صورت همزمان به ورودی همه مقایسه گرها داده می شود و ورودی دیگر این مقایسه گرها به ولتاژی که از طریق ولتاژ مرجع و با تقسیم مقاومتی ایجاد می شود داده می شود. خروجی مقایسه گرها به یک encoder داده می شود تا کد دیجیتال خروجی که متناسب با سیگنال آنالوگ ورودی است را ایجاد کند. شکل 1-1 زیر شماتیک مداری پایه برای این تکنیک است.
شکل 1-2 دیاگرام شماتیک خروجی و ورودی مدار برحسب زمان است.
البته باید توجه داشت که در مدار شماتیک بالا باید از encoder دارای اولویت استفاده کرد که اگر خروجی مقایسه گری که ارزش بالاتری دارد به اشباع بالا رفت، از بقیه ورودی های خود که در اشباع بالا هستند و دارای ارزش کمتری هستند چشم پوشی کند، از اینرو مدار آن پیچیده تر می شود. برای رفع این مشکل می توان از or انحصاری در خروجی مقایسه گرها استفاده کرد. (شکل 1-3)

امروزه در عصر ارتباطات و گسترش روزافزون استفاده از شبكه های تلفن ،موبایل و اینترنت در جهان ومحدودیت پهنای باند در شبكه های مخابراتی، كدینگ و فشرده سازی صحبت امری اجتناب ناپذیر است. در چند دهه اخیر روشهای كدینگ مختلفی پدید آمده اند ولی بهترین و پركاربردترین آنها كدك های آنالیزباسنتز هستند كه توسط Atal & Remede در سال 1982 معرفی شدند [2]. اخیرا مناسبترین الگوریتم برای كدینگ صحبت با كیفیت خوب در نرخ بیت های پائین و زیر 16 kbps، روش پیشگویی خطی باتحریك كد (CELP) می باشد كه در سال 1985 توسط Schroeder & Atal معرفی شد [8] و تا كنون چندین استاندارد مهم كدینگ صحبت بر اساس CELP تعریف شده اند.

در سال 1988 CCITT برنامه ای برای استانداردسازی یك كدك 16 kbps با تاخیراندك و كیفیت بالا در برابر خطاهای كانال آغاز نمود و برای آن كاربردهای زیادی همچون شبكه PSTN ،ISDN، تلفن تصویری و غیره در نظر گرفت. این كدك در سال 1992 توسط Chen et al. تحت عنوان LD-CELP معرفی شد [6] و بصورت استاندارد G.728 در آمد [9] و در سال 1994 مشخصات ممیز ثابت این كدك توسط ITU ارائه شد[10] . با توجه به كیفیت بالای این كدك كه در آن صحبت سنتز شده از صحبت اولیه تقریبا غیرقابل تشخیص است و كاربردهای آن در شبكه های تلفن و اینترنت و ماهواره ای در این گزارش به پیاده سازی این كدك می پردازیم.

در فصل اول به معرفی وآنالیز سیگنال صحبت پرداخته می شود و در فصل دوم روش ها و استانداردهای كدینگ بیان می شوند. در فصل سوم كدك LD-CELP را بیشتر بررسی می كنیم و در فصل چهارم شبیه سازی ممیز ثابت الگوریتم به زبان C را بیان می نمائیم. و در پایان در فصل 5 به نحوه پیاده سازی بلادرنگ كدكG.728 بر روی پردازنده TMS320C5402 می پردازیم.
فصل اول
بررسی و مدل سازی سیگنال صحبت
1-1- معرفی سیگنال صحبت
صحبت در اثر دمیدن هوا از ریه ها به سمت حنجره و فضای دهان تولید می‏شود. در طول این مسیر در انتهای حنجره، تارهای صوتی قرار دارند. فضای دهان را از بعد از تارهای صوتی، لوله صوتی می‏نا مند كه در یك مرد متوسط حدود cm 17 طول دارد . در تولید برخی اصوات تارهای صوتی كاملاً باز هستند و مانعی بر سر راه عبور هوا ایجاد نمی‏كنند كه این اصوات را اصطلاحاً اصوات بی واك می‏نامند. در دسته دیگر اصوات ، تارهای صوتی مانع خروج طبیعی هوا از حنجره می‏گردند كه این باعث به ارتعاش درآمدن تارها شده و هوا به طور غیر یكنواخت و تقریباً پالس شكل وارد فضای دهان می‏شود. این دسته از اصوات را اصطلاحاً باواك می‏گویند.
فركانس ارتعاش تارهای صوتی در اصوات باواك را فركانس Pitch و دوره تناوب ارتعاش تارهای صوتی را پریود Pitch می‏نامند. هنگام انتشار امواج هوا در لوله صوتی، طیف فركانس این
امواج توسط لوله صوتی شكل می‏گیرد و بسته به شكل لوله ، پدیده تشدید در فركانس های خاصی رخ می‏دهد كه به این فركانس های تشدید فرمنت می‏گویند.
از آنجا كه شكل لوله صوتی برای تولید اصوات مختلف، متفاوت است پس فرمنت ها برای اصوات گوناگون با هم فرق می‏كنند. با توجه به اینكه صحبت یك فرآیند متغییر با زمان است پس پارامترهای تعریف شده فوق اعم از فرمنت ها و پریود Pitch در طول زمان تغییر می‏كنند به علاوه مد صحبت به طور نامنظمی از باواك به بی واك و بالعكس تغییر می‏كند. لوله صوتی ، همبستگی های زمان-كوتاه ، در حدود 1 ms ، درون سیگنال صحبت را در بر می‏گیرد. و بخش مهمی از كار كدكننده های صوتی مدل كردن لوله صوتی به صورت یك فیلتر زمان-كوتاه می‏باشد. همان طور كه شكل لوله صوتی نسبتاً آهسته تغییر می‏كند، تابع انتقال این فیلتر مدل كننده هم نیاز به تجدید، معمولاً در هر 20ms یکبارخواهد داشت.